Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA.

Die drei baugleichen Swarm-Satelliten A, B und C wurden von vornherein auf optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Nutzlastraumes konstruiert. Der Abstand zwischen den Satelliten auf dem Spezial-Dispenser betrug nur knapp 15 Zentimeter auf rund 5 Meter Länge. Die Nutzlastintegration war daher besonders sensibel, insbesondere beim Einheben des dritten Satelliten. Das gleiche galt natürlich auch bei der Nutzlastseparation – die erste größere Herausforderung nach dem Start der Swarm-Satelliten. Die simultane Aussetzung von drei Satelliten dieser Dimension (Animation siehe hier oder auch hier) war eine Premiere für die ESA. Der Leiter der Missionskontrolle, Dr. Paolo Ferri, bekannte sich denn auch 15 Minuten vor der Separation im Interview zu seiner Anspannung, die erst mit dem Empfang des ersten Signals von Swarm A und B, Indiz für ein gelungenes Manöver, wich. Die Frage lag natürlich nahe, warum man sich nicht für eine sequentielle Aussetzung entschieden hat. Offensichtlich sah man in der simultanen Freisetzung ein geringeres Risiko als in einer aufeinanderfolgenden.

Da sich der Nutzlastraum nach oben hin verjüngt, wird der Querschnitt der Satelliten im letzten Drittel immer kleiner. Das schlanke Ende eines Swarm-Satelliten stellt jedoch nicht dessen Spitze, sondern das Heck dar. Sie sind also entgegen ihrer späteren Flugrichtung auf dem Nutzlastadapter aufgesetzt und müssen im Rahmen der Inbetriebnahme noch gewendet werden. Das aufwendige Manöver wird noch ein bis zwei Tage auf sich warten lassen. Es setzt, so Ferri, bei jedem Satelliten voraus, dass der Ausleger

ausgeklappt ist und die darauf angebrachten Sternensensoren arbeiten. Erst dann hat man die notwendige Orientierung im All. Das Ausklappen des ersten Auslegers ist daher auch relativ früh gegen Ende des Starttages angesetzt. Es ist die weitere, von der üblichen Routine abweichende Herausforderung. Das Animationsvideo zum Ausklappvorgang (siehe hier) lässt vermuten, dass beim Einpendeln des Auslegers erheblich Hebelkräfte an dem vergleichsweisen leichten Satelliten auftreten werden. Zu diesem Zeitpunkt hat man mangels Sternensensor keine Daten zur genauen Lage des Satelliten. Aus dem gleichen Grund kann man den Kräften auch nicht gegensteuern. Laut Ferri ist das Problem allen bewusst gewesen. Der Vorgang wurde in den Modellen häufig simuliert, mit dem Ergebnis, dass die Fluglage des Satelliten stabil bleibt. Das Gelingen dieses Manövers ist essentiell für die Aufgabenstellung des Swarm-Projektes, nicht nur wegen der Sternensensoren, sondern auch, weil nur auf dem Ausleger eine magnetisch „saubere“ Umgebung gewährleistet ist.

Sieben Wochen nach dem Start und noch während der Kommissionierungsphase werden die künftigen Arbeitsumlaufbahnen angesteuert. Die Swarm-Satelliten werden mit einfachen Kaltgas-Triebwerken unter Nutzung von Freon im All manövriert und auf Höhe gehalten. Der Flug in den regulären Orbit erfordert

hunderte von kurzen Schubstößen. Swarm A und B sollen sich in relativ enger Formation mit maximal 150 Kilometer Abstand in einem fast-polaren Orbit in 460 Kilometer Höhe bewegen. Im Laufe der Mission werden sie auf 300 Kilometer absinken. Ihre Aufgabe ist hauptsächlich die Vermessung des Magnetfeldes und seiner Veränderungen. Das Absinken ist gewollt, denn die niedrigere Flughöhe erlaubt feinere Messungen in der Erdkruste. Swarm C wird davon losgelöst einen anderen polaren Orbit mit um 0,6 Grad abweichender Inklination in dauerhaft 530 Kilometer Höhe einnehmen. Er soll von dort unter anderem Löcher in der Ionosphäre vermessen. Die Umlaufbahn der A/B-Formation wird sich wegen der unterschiedlichen Inklination zunehmend von der von Swarm C entfernen. In drei Jahren werden die beiden Umlaufbahnen im 90-Grad-Winkel zueinander stehen. Pro Tag finden 15 Erdumkreisungen statt.

Primäre Bodenstation für den Datenaustausch ist Kiruna. Bei Bedarf können weitere Empfangsstationen hinzu geschaltet werden. Die Steuerung der Satelliten erfolgt vom European Space Operations Center (ESOC) in Darmstadt aus. Die wissenschaftlichen Rohdaten werden von Kiruna kommend zunächst in einem Payload Data Ground Segment (PDGS) der ESA im britischen Farnborough bearbeitet und archiviert. Das PDGS wird vom ESA-Zentrum für Erdbeobachtung (ESRIN) in Frascati, Italien, betrieben. Beim ESRIN erfolgt die Qualitätskontrolle und die Verteilung der Daten an die involvierten Forschungsinstitute wie zum Beispiel das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam.

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• Swarm

Der Beitrag Swarm-Start II: Was im ESOC noch zu erfahren war erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/JPL.

Das folgende von der NASA veröffentlichte Bild, offensichtlich ein Bildschirmauszug aus einem Programm, zeigt Huygens zwölf Stunden nach der erfolgreichen Abtrennung von Cassini. Die Titansonde ist oben rechts als heller Punkt zu erkennen:

Wie die NASA in der Meldung bestätigte, ist Huygens auf dem richtigen Kurs.

Zoom auf die Sonde:

Der Beitrag Cassini fotografiert Huygens erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: ESA.

Wie die NASA nach dfer Auswertung der von Cassini übermittelten Telemetriedaten meldete, traten keinerlei Fehler auf. Das Abstoßmanöver verlief exakt so wie geplant.

Damit ist Huygens nun endlich unterwegs und wir können gespannt sein, ob sich der Abstieg durch die Titanatmosphäre so abspielt wie theoretisch errechnet und bereits 1995 bei einem Ballon-Abwurfversuch aus über 30 Kilometer Höhe erfolgreich simuliert wurde. Die ESA hat betont, dass Huygens vorwiegend als Abstiegs- und nicht als Landesonde konzipiert wurde. Die Primärmission der Sonde umfasst also nur den Abstieg und endet mit dem Aufschlag auf der Titanoberfläche. Funktioniert die Sonde bis dahin (und gelangen die Daten zur Erde…), wird das gesamte Projekt bereits als Erfolg gewertet. Dass die Sonde den Aufschlag übersteht und noch eine Weile Daten liefert, hoffen wir natürlich alle, aber dies zählt dann schon als erweiterte Mission.

Der weitere Ablauf aus Sicht der Erde in mitteleuropäischer Zeit:

25.12. 15:38 Uhr Cassini nimmt Kontrollbilder von Huygens auf.

26.12. 22:08 Uhr Test von Cassinis Huygens-Relaisempfänger.

28.12. 05:07 Uhr Cassini ändert seine Flugbahn zum Vorbeiflug am Titan am 14.01.05 in 60.000 km Entfernung.

01.01. 05:44 Uhr Vorbeiflug an Iapetus in 117.500 km Entfernung.

07.01. 11:07 Uhr Beginn der kritischen Huygens-Relaisphase für Cassini: Fast alle Instrumente deaktivieren, Datenspeicher leeren und vorbereiten, vollautomatische Abwicklung der Relaisphase ohne Einwirkung der Bodenstation.
14.01. 11:13 Uhr Huygens erreicht den Eintrittspunkt 1.270 km über dem Titan.

„Das Ausklinken heute ist ein weiterer Meilenstein der Mission Cassini/Huygens„, erklärte der Wissenschaftsdirektor der ESA, Dr. David Southwood. „Nach sieben Jahren Zusammenleben kam heute die gütliche Trennung. Wir danken unseren Partnern bei der NASA herzlich für’s Mitnehmen. Cassini und Huygens werden nun eigene Wege gehen, aber wir rechnen damit, dass sie bis zum Ende dieser faszinierenden Mission in Kontakt bleiben werden. All unsere Hoffnungen und Erwartungen richten sich jetzt auf die ersten Daten aus einer neuen Welt, von deren Erforschung wir seit Jahrzehnten träumen.“

Schlussphase von Huygens‘ siebenjähriger Reise
Die gemeinsam von der NASA, der ESA und der italienischen Raumfahrtagentur ASI entwickelte Mission begann am 15. Oktober 1997 mit dem Start des Sondenpaares an Bord einer Titan 4B/Centaur von Cape Canaveral in Florida. Die beiden Sonden brachten beim Start insgesamt 5 548 kg auf die Waage, was sie zur bisher größten Raumsonde zu den äußeren Planeten machte. Um die für die Reise zum Saturn erforderliche Geschwindigkeit erreichen zu können, mussten sie vier Vorbeischwungmanöver absolvieren – zwei an der Venus, eins an der Erde und ein weiteres am Jupiter. Am 1. Juli ist das Paar als erstes Raumfahrzeug in eine Umlaufbahn um den Saturn eingetreten.

Im Verlauf seiner dritten Umrundung des Ringplaneten führte der Orbiter am 17. Dezember ein Manöver durch, das ihn und Huygens auf einen kontrollierten Kollisionskurs mit Titan brachte. Wie geplant, fand am 22. Dezember eine Feinabstimmung statt, um Huygens auf seinen nominalen Eintrittskurs zu bringen. Während Huygens auf diesem Kurs bleiben und am 14. Januar in die Atmosphäre des Titan eintauchen wird, muss Cassini am 28. Dezember ein weiteres Kurskorrekturmanöver vornehmen, um nicht ebenfalls auf dem Saturnmond einzuschlagen.

Huygens befindet sich während ihres 20tägigen Flugs in Richtung Titan in „abgeschaltetem“ Zustand. Vier Tage vor der Abtrennung wurde ein Dreifach-Timersystem programmiert, das die Systeme der Sonde kurz vor ihrer Ankunft am Titan reaktivieren wird.

Erforschung der Atmosphäre des Titan
Wenn alles nach Plan verläuft, wird Huygens am 14. Januar um etwa 11.13 Uhr (MEZ) in einem relativ steilen Winkel von 65° und mit einer Geschwindigkeit von 6 km/s in die Atmosphäre des Titan eintauchen. Das Zielgebiet befindet sich über der südlichen Hemisphäre auf der Tagseite. Die von einem ablativen Hitzeschild geschützte Sonde wird binnen drei Minuten auf 400 m/s abbremsen und anschließend in rund 160 km Höhe ihren 2,6-m-Lenkfallschirm entfalten. Dieser Schirm wird nach 2,5 Sekunden die hintere Abdeckung der Sonde entfernen, so dass sich der Hauptschirm mit seinen 8,3 m Durchmesser entfalten und die Sonde stabilisieren kann. Anschließend wird der vordere Schild abgeworfen, und die Sonde, deren Hauptzweck die Erforschung der Atmosphäre des Titan ist, wird Einlässe öffnen und Ausleger ausfahren, um die wissenschaftlichen Daten zu erfassen. Sämtliche Instrumente werden unmittelbaren Kontakt zur Atmosphäre haben, um eingehende Messungen ihrer Struktur, Dynamik und chemischen Zusammensetzung vornehmen zu können. Gleichzeitig wird die Sonde während ihres Abstiegs Bildaufnahmen der Titanoberfläche machen. Diese Daten werden direkt an den Cassini-Orbiter gefunkt, der sich dem Titan während dieser Zeit auf bis zu 60 000 km nähern wird. Radioteleskope auf der Erde werden außerdem versuchen, die Signale direkt zu empfangen.

Nach 15 Minuten wird Huygens in rund 120 km Höhe ihren Hauptfallschirm abwerfen, worauf ein kleinerer Bremsschirm mit 3 m Durchmesser zum Einsatz kommt, um innerhalb der Laufzeit der Batterien der Sonde den weiteren Abstieg durch die Atmosphäre zu ermöglichen.

Vom Eintauchen in die Atmosphäre bis zum Aufprall von Huygens auf der Oberfläche des Titan mit einer Geschwindigkeit von rund 6 m/s werden etwa 140 Minuten vergehen. Wenn die Sonde all dies ohne Schaden übersteht, beginnt dann ihre erweiterte Mission der unmittelbaren Charakterisierung der Oberfläche dieses Saturnmondes, solange die Batterien reichen und Cassini vom Landeplatz aus „sichtbar“ ist, das heißt maximal 130 Minuten.

Anschließend wird der Cassini-Orbiter seine Hauptantenne wieder der Erde zuwenden und die von Huygens gesammelten Daten überspielen, die 67 Minuten später von der 70-m-Antenne der NASA im australischen Canberra empfangen werden sollen. Es sind drei Übertragungen vorgesehen, um sicherzugehen, dass keine Daten verlorengehen. Danach wird Cassini seine Mission der Erforschung des Saturn und seiner Monde fortsetzen, wobei er in den kommenden Monaten und Jahren noch Dutzende Male am Titan vorbeifliegen wird.

Eine Sonde in den Tiefen von Raum und Zeit
Der Titan ist größer als der Merkur und etwas kleiner als der Mars. Was ihn einzigartig macht, ist seine dichte, dunstige, stickstoffreiche Atmosphäre mit ihren Kohlenstoffverbindungen, die wertvolle Hinweise zur Beantwortung der Frage beinhalten könnten, wie die Erde bewohnbar wurde. Es wird vermutet, dass die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre stark der der Erde vor Beginn des Lebens ähnelt; sie ist allerdings kälter (-180°C), weswegen es dort kein Wasser in flüssiger Form gibt. Die Ergebnisse der Erkundungen vor Ort durch Huygens dürften uns also in Kombination mit den weiträumigeren Beobachtungen, die Cassini bei seinen wiederholten Vorbeiflügen am Titan machen wird, dabei helfen, nicht nur eins der exotischsten Mitglieder unseres Sonnensystems, sondern auch die Entwicklung der Erdatmosphäre in ihrem Frühstadium sowie die Mechanismen zu verstehen, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde geführt haben.

Europas Hauptbeitrag zur Cassini-Mission, die Huygens-Sonde, wurde im Auftrag der ESA von einem Industrieteam unter der Leitung von Alcatel Space gebaut. Die 320 kg schwere Sonde führt sechs Instrumente zur Erforschung der Titanatmosphäre während ihres Abstiegs mit. An der Entwicklung dieser wissenschaftlichen Nutzlast waren Labors und Forschungs-Einrichtungen in allen ESA-Mitgliedstaaten, den USA, Polen und Israel beteiligt. Das Huygens-Atmosphären-Strukturinstrument (HASI) wird Temperatur- und Druckprofile messen sowie Winde und Turbulenzen untersuchen. Außerdem kann es Blitze erfassen und – falls es zu einer erfolgreichen Landung kommt – sogar die Leitfähigkeit und absolute Dielektrizitäts-Konstante der Oberfläche messen. Das Gaschromatograph-Massen-Spektrometer (GCMS) wird eine chemische Feinanalyse der Atmosphäre und der mit dem Aerosol-Sammel- und Pyrolysegerät (ACP) gesammelten Aerosole vornehmen. Das abbildende Abstiegs-Spektralradiometer (DISR) wird Bilder, Spektren und andere Daten über die Atmosphäre, die Strahlungsbilanz, die Wolkenstruktur, die Aerosole und die Oberfläche sammeln. Das Doppler-Windexperiment (DWE) soll ein zonales Windprofil erstellen, während das wissenschaftliche Oberflächenmodul (SSP) den Landeplatz untersuchen wird, wenn Huygens nach dem Aufprall noch funktionsfähig ist.

Die Mission Cassini/Huygens ist ein Gemeinschaftsvorhaben der NASA, der ESA und der italienischen Raumfahrtagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL), eine Abteilung des California Institute of Technology in Pasadena, leitet die Mission im Auftrag des NASA-Büros für Weltraumwissenschaft in Washington. Der Cassini-Orbiter wurde vom JPL entworfen, entwickelt und gebaut.

Der Beitrag Huygens ist auf dem Weg zum Titan! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: ESA/JPL.

Heute Nacht, in wenigen Stunden, durchtrennt Cassini nach sieben Jahren und 3,2 Milliarden Kilometern die verbindende Nabelschnur und stößt Huygens mit einem sanften Stoß von sich ab, wartet einen halben Tag, macht einige Kontrollbilder der sich langsam entfernenden Titan-Landesonde und ändert dann ihren eigenen Kurs.

Dies ist auch zwingend notwendig. Denn da Huygens kein eigenes Antriebssystem besitzt und von der Trennung an eine rein ballistische Flugbahn verfolgt, nur bestimmt von den Anziehungskräften der umgebenden Himmelskörper, musste Cassini auf einen Kollisionskurs mit Titan gesteuert werden, um Huygens korrekt auszurichten. In 20 Tagen, am 14. Januar Bordzeit, wird Huygens in die Titanatmosphäre eintreten, und dann wird sich zeigen, ob die Vorstellungen der Ingenieure, wie man eine Titan-Abstiegs und -Landesonde konstruiert, richtig waren.

„Wir haben grünes Licht für die Trennung. Das gemeinsame Team von ESA und NASA hat sein Möglichstes getan, um die Trennung vorzubereiten. Wir sehen dem 14. Januar entgegen und erwarten, dann im Raumfahrt-Operationszentrum ESOC in Darmstadt Daten von Huygens zu empfangen.“ sagte Claudio Sollazzo, der ESA-Chef des Huygens-Operationsteams im JPL in Pasadena/Kalifornien.

Bis kurz vor der Trennung hält das Lagekontrollsystem von Cassini die Sonde auf die Erde ausgerichtet. Der Zeitplan der Trennung (laut Missionsbeschreibung „Titan C flyby“ des JPL) aus Sicht der Erde in europäischer Zeit:

3:55 UhrCassini beginnt, sich in die Abstoßposition zu drehen. Abbruch der Kommunikation mit der Erde.

4:02 Uhr Drehung beendet. Feinregulierung der Abstoßposition.

4:07:50 Uhr Abschalten des Lagekontrollsystems.

4:08:00 Uhr Trennung! Die verbindenden Bolzen werden gesprengt. Ein vorgespannter Federmechanismus wird frei gegeben, der Huygens mit einer Differenzgeschwindigkeit zu Cassini von etwa 0,3 Meter pro Sekunde in Richtung auf Titan abstößt und sie gleichzeitig in eine lagestabilisierende Rotation von etwa 7 Umdrehungen pro Minute versetzt. Die „Nabelschnur“, die die beiden Sonden sieben Jahre lang verband und Huygens‘ Batterien bis zuletzt auflud, wird gekappt. Der gesamte Vorgang dauert nur etwa 0,15 Sekunden. Huygens ist nun auf sich allein gestellt.

4:13 Uhr Die Trennung bringt Cassini durchaus in leichte Schwierigkeiten. Denn gemäß den Gesetzen der Dynamik hat das Abstoßen des über 300 Kilogramm schweren Sondenkörpers das Mutterschiff in eine gewisse Taumelbewegung versetzt, die nun durch Wiedereinschalten des Lagekontrollsystems abgefangen wird.

4:17 Uhr Enttaumeln beendet. Cassini wendet sich wieder der Erde zu.

4:30 Uhr Wiederaufnahme der Kommunikation mit der Erde und Überspielen der während der Trennung aufgezeichneten Telemetriedaten. Die früheste Bestätigung der erfolgreichen Trennung wird das Fehlen der Huygens-Temperatursensoren sowie der Abfall der Temperatur an Cassini-Sensoren sein, die bisher von Huygens überdeckt waren und nun direkt dem Weltraum ausgesetzt sind.

Das möglichst genaue Einnehmen der Abstoßposition ist von entscheidender Bedeutung für das Gelingen der Mission. Man kann es sich an der Sportart Curling (siehe unten) veranschaulichen: So wie der Spieler zusammen mit dem Stein genau auf das Ziel zu gleitet und den Stein schließlich mit einem letzten behutsamen Schubs auf den Weg zum Ziel schickt, muss auch Cassini die Sonde Huygens auf den Weg zu Titan schicken. Nur muss Spieler Cassini über eine Entfernung von vier Millionen Kilometer hinweg zielen, und Stein Huygens braucht 20 Tage bis zum Ziel. Höchste Präzision ist also gefragt, sonst geht Huygens ins Leere und der ganze Aufwand war umsonst. Andererseits ist die Himmelsmechanik heutzutage eine ziemlich exakte Wissenschaft, der luftleere Raum verhält sich eigentlich sehr berechenbar, und das Lagekontrollsystem von Cassini ist derart genau und effizient, dass ihm die knapp sechs Minuten, die es zum Zielen Zeit hat, ausreichen.

Die Dynamik des Abstoßvorgangs ist schon vor Jahren genau durchgerechnet und simuliert worden. Selbst die Differenzgeschwindigkeit durch das Abstoßen wurde dabei berücksichtigt, und die Ausrichtung von Huygens wurde so kalkuliert, dass Huygens 20 Tage später in optimaler Lage für einen Atmosphäreneintritt einen bestimmten Punkt 1270 Kilometer über Titan erreicht. So weit kann man es exakt berechnen. Aber knapp darunter beginnt die Titanatmosphäre und damit die Unsicherheiten…

„Wir müssen dann mit Geduld den spannendsten Teil unserer Mission abwarten, wenn Cassini die Daten von Huygens zurück zur Erde senden wird. Der Abstieg wird weniger als zweieinhalb Stunden dauern, und wenn die Sonde den Aufschlag auf der Oberfläche überlebt, können wir mit bis zu zwei weiteren Stunden wissenschaftlicher Ergebnisse rechnen, bevor die Bordbatterien erschöpft sind.“ sagte Jean-Pierre Lebreton, Missionsmanager und Projektwissenschaftler der ESA.

Es kann los gehen.

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